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Estabilidad

Las estructuras, además de ser rígidas para soportar cargas sin romperse, deben ser estables para no volcar, deslizarse u oscilar ante las fuerzas externas.

Existen varios problemas que pueden presentar las estructuras debido a su falta de estabilidad. A continuación se detallan las más comunes.

Vuelco

El centro de gravedad es el punto medio de toda la masa de la estructura. Intuitivamente es el punto donde tenemos que apoyar la estructura para que esta no vuelque a un lado o a otro. En el caso de un martillo, su centro de gravedad se encuentra en el mango, muy cerca de la cabeza, que es lo que más pesa. Si apoyamos en ese punto nuestro dedo, el martillo permanece horizontal sin volcarse.

Para que se produzca el vuelco de una estructura, el centro de gravedad debe salir fuera de la zona de apoyo de la estructura con el suelo.

• Centro de gravedad
• 
  Centro de gravedad de un camión.
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  Camión sin inclinación. Estable.
• 
  Camión inclinado. Equilibrio inestable
• 
  Camión inclinado. Sin equilibrio.

En el caso de este camión el centro de gravedad está relativamente alto. En la primera imagen el centro de gravedad cae dentro de la zona de apoyo por lo que el camión es estable y no vuelca.

En la segunda imagen el camión está inclinado 15 grados y el centro de gravedad apenas cae dentro de la zona de apoyo. El camión está a punto de volcar.

En la tercera imagen el camión se ha inclinado 20 grados y el centro de gravedad cae claramente fuera de la zona de apoyo. El camión no es estable y va a volcar.

Soluciones al vuelco

Existen varias soluciones para evitar que una estructura vuelque.

Añadir un contrapeso

Cuando una estructura está demasiado escorada hacia un lado o un peso lateral puede hacerla volcar, un contrapeso en el lado contrario puede solucionar el problema.

Ejemplo: Contrapeso en las grúas de obra o en los camiones-grúa.

Ampliar la base de apoyo

Cuanto mayor sea la base de apoyo, más difícil es que el centro de gravedad caiga fuera de la base.

Ejemplos: Camión grúa con apoyos extensibles. Coche deportivo muy ancho. Las personas separan instintivamente los pies entre sí para tener mayor base de apoyo cuando el suelo se mueve.

Bajar el centro de gravedad

Si el centro de gravedad está más bajo, es más difícil que caiga fuera de la base de apoyo.

Ejemplos: Para conseguir bajar el centro de gravedad de un camión, hay que colocar los bultos más pesados en la parte baja y los ligeros en la parte alta. Los coches deportivos suelen ser bajos para tener el centro de gravedad bajo y conseguir así mayor estabilidad.

Anclar la estructura al suelo

Con esta solución se refuerza la estructura ampliándola al suelo.

Ejemplos: Vientos de una tienda de campaña. Cables de anclaje de una antena. Farola o mástil de bandera anclados al suelo.

Pandeo

Rotura por pandeo

El pandeo se produce en barras y columnas esbeltas sometidas a compresión. Cuando la forma de la barra o columna es muy estrecha y muy larga (esbelta), corre el riesgo de doblarse y perder así su resistencia. El resultado final es que la estructura se flexiona hasta partirse y fallar.

Soluciones al pandeo

Hacer el perfil más grueso

Aumentando el perfil de la barra o de la columna haciendo que sea más gruesa, el pandeo no se producirá. El pandeo se produce cuando la barra o columna es muy fina en relación con su longitud.

Una forma de hacer el perfil más grueso sin añadir material es ahuecar el centro. De esta forma los perfiles huecos, por ejemplo los tubos, tienen mucha resistencia al pandeo a la vez que son ligeros.

Sujetar el centro de la barra

Sujetando el centro de la barra para evitar que se mueva, el pandeo no llega a producirse.

Oscilaciones

Las oscilaciones o vibraciones de una estructura pueden ser beneficiosas o perjudiciales.

En ciertos casos conviene que la estructura no sea completamente rígida Si la estructura puede flexionarse y oscilar ante una carga externa, esto permite que no llegue a fallar. Ejemplos de este comportamiento lo tenemos en rascacielos que oscilan en su azotea en caso de terremoto o en caso de soportar vientos fuertes. Los mástiles de barco o las alas de un avión también son capaces de oscilar para adaptarse a los esfuerzos que soportan. Si estas estructuras fuesen completamente rígidas podrían colapsar con los grandes esfuerzos que soportan.

En otros casos las oscilaciones pueden llegar a sumarse poco a poco igual que ocurre en un columpio, haciendo que la estructura oscile cada vez con mayor amplitud hasta llegar a desmoronarse. Esto es lo que le pasó al famoso puente de Tacoma Narrows apodado Gallopin Gertie por las grandes oscilaciones que sufría cuando soplaba la brisa del verano en que se inauguró. Al llegar el otoño, un viento de apenas 64 kilómetros por hora derrumbó el puente, afortunadamente sin producir muertes. Puedes ver una grabación del suceso en YouTube.

Sin llegar a ser tan dramáticas, las oscilaciones pueden producir en otros casos ruidos y vibraciones muy molestas. Esto se produce especialmente en las frecuencias de resonancia. La estructura vibra con mayor intensidad en las frecuencias de resonancia, sumando poco a poco los efectos de una pequeña vibración hasta hacerla muy grande y molesta.

Soluciones a las oscilaciones

Evitar las cargas oscilantes

Esta es la solución que toman los soldados que caminan en formación por encima de un puente que no es muy rígido. En este caso los soldados dejan de caminar a la vez y comienzan a caminar de manera desorganizada para que el puente no resuene al mismo ritmo de los pasos.

Amortiguar la estructura

Esta es la solución que se toma en las ruedas de los coches o en algunos edificios resistentes a terremotos. Un amortiguador es un elemento que frena las oscilaciones y reduce la resonancia.

Ejercicios

1. Dibuja una estructura poco estable y otra que sea muy estable.